Las estrellas de los agujeros negros realmente existen en el universo primitivo

El universo primitivo parece estar lleno de enormes bolas de gas parecidas a estrellas impulsadas por un agujero negro en su núcleo, un hallazgo que ha tomado por sorpresa a los astrónomos y podría resolver uno de los mayores misterios planteados por los descubrimientos del Telescopio Espacial James Webb (JWST).

Cuando JWST comenzó a mirar hacia atrás, a los primeros mil millones de años del universo, los astrónomos encontraron un grupo de lo que parecían galaxias extremadamente compactas, rojas y muy brillantes que no se parecen a ninguna que podamos ver en nuestro universo local. Las explicaciones más populares para estos llamados pequeños puntos rojos (LRD) proponían que eran agujeros negros supermasivos con polvo arremolinándose a su alrededor o galaxias muy densamente repletas de estrellas, pero ninguna de las explicaciones daba sentido a la luz que estaba detectando JWST.

A principios de este año, los astrónomos propusieron que las LRD eran esferas densas de gas con un agujero negro en el centro, llamadas estrellas de agujero negro. “Cuando el material cae en el agujero negro, se libera mucha energía gravitacional, y esto podría hacer que toda la bola de gas que lo rodea brille como una estrella”, dice Anna de Graaff de la Universidad de Harvard. Aunque la energía no proviene de la fusión nuclear, como en una estrella normal, el efecto final es una bola brillante similar de gas denso, sólo que en una escala mucho mayor, miles de millones de veces más brillante que nuestro sol, dice de Graaff.

Sin embargo, si bien hubo algunos LRD prometedores que apoyaron esta interpretación, seguía siendo controvertida.

Ahora, de Graaff y sus colegas han analizado la muestra más amplia de LRD desde que JWST comenzó sus observaciones, incluidas más de cien galaxias, y concluyeron que se explican mejor por objetos similares a estrellas o estrellas de agujeros negros. “El nombre de estrella agujero negro sigue siendo, sin duda, controvertido, pero creo que ahora hay un consenso decente en la comunidad de que estamos ante un agujero negro en acreción envuelto en gas denso”, dice de Graaff.

Cuando el equipo observó el brillo de la luz en diferentes frecuencias, llamada espectro, proveniente de los LRD, los patrones coincidían mejor con la luz proveniente de una única superficie relativamente lisa, llamada cuerpo negro. Así es también como aparecen las estrellas, en contraste con los espectros más complicados y puntiagudos que se ven en las galaxias, que producen su luz a partir de una combinación de estrellas, polvo, gas y un agujero negro central.

“El modelo de estrella de agujero negro existe desde hace tiempo, pero se pensaba que era muy extraño y existía, pero en realidad parece funcionar y tener más sentido”, dice Jillian Bellovary del Museo Americano de Historia Natural de Nueva York.

“Cuando se utiliza el modelo de estrella de agujero negro, las cosas realmente se vuelven muy simples”, dice Anthony Taylor de la Universidad de Texas en Austin. “Es sólo un marco simple, pero explica [observations] muy, muy bien, sin necesidad de ninguna física realmente exótica”.

En septiembre, de Graaff y sus colegas también encontraron un LRD único y separado que tenía un pico extremadamente agudo para una frecuencia de luz proveniente de galaxias, al que apodaron “El Acantilado”. “Vimos ciertas características en el espectro que realmente no podían ser explicadas por ninguno de nuestros modelos existentes”, dice de Graaff. “Cuando tengas eso, podrás, por primera vez, decir con confianza que tenemos que alejarnos de estas dos imágenes que estábamos considerando. Tenemos que considerar algo más”.

Si bien muchos astrónomos están ahora de acuerdo en que los LRD parecen funcionar como estrellas enormes, será difícil demostrar que lo que los impulsa es un agujero negro, dice de Graaff. “El centro de este objeto está incrustado en esta envoltura que es muy, muy densa u ópticamente gruesa. Lo que hay en el interior queda oscurecido por lo que hay a su alrededor”, dice de Graaff. “Sólo pensamos que son agujeros negros porque son cosas muy luminosas”.

Una forma de demostrar que son agujeros negros es observar cómo varía la luz que proviene de ellos con el tiempo y ver si varían como sabemos que hacen los agujeros negros en nuestro universo local, dice Xihan Ji de la Universidad de Cambridge. “Se ve que el brillo cambia en escalas de tiempo relativamente cortas, como meses o incluso días, pero para estos pequeños puntos rojos, parece haber muy poca evidencia de esta variabilidad la mayor parte del tiempo”.

Puede resultar difícil buscar evidencia de variaciones más prolongadas en la luz de los LRD porque el JWST tiene solo un tiempo limitado para realizar sus observaciones, pero otro estudio reciente podría dar alguna indicación. Fengwu Sun de la Universidad de Harvard y sus colegas encontraron un LRD cuya luz había girado alrededor de una galaxia muy masiva ubicada entre él y la Tierra, llamada lente gravitacional. La lente produjo cuatro imágenes del LRD original, pero debido a que la luz de cada imagen ha viajado diferentes distancias para llegar a nosotros, cada una equivalía a mirar la galaxia en diferentes instantáneas durante un período de 130 años.

Las cuatro instantáneas parecen mostrar una variabilidad en el brillo similar a la de las estrellas pulsantes conocidas, pero insinuando un ancho mucho mayor, lo que nuevamente es consistente con la hipótesis de la estrella agujero negro. Sun y su equipo se negaron a hablar con New Scientist para esta historia.

Si bien la idea de utilizar una lente gravitacional para medir el LRD en diferentes momentos es inteligente, podría haber otras explicaciones para las variaciones en el brillo, dice Bellovary. “No estoy convencido de que haya suficientes datos para respaldar realmente su afirmación. No digo que su afirmación sea incorrecta, pero creo que la variación también podría explicarse por otras cosas”.

Si estas galaxias resultan ser estrellas con agujeros negros, entonces requerirán modelos completamente nuevos de cómo surgieron y en qué se convertirán estos agujeros negros, dice de Graaff, porque no vemos ningún sistema equivalente en nuestro universo local.

“Esto podría ser esencialmente como un nuevo modo de crecimiento, o parte de la historia de crecimiento, de estos agujeros negros supermasivos”, afirma. “Si pasan por uno solo de estos eventos, o cuánto tiempo duran, o cuán significativa es su contribución [to the final mass of the black hole] Todavía no está muy claro”.

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